多瓦Terahertz半导体“量子级联”激光突破

开发了一种用于等离子体激光器的锁相方案，其中在表面发射激光阵列中纵向地耦合几个金属微腔。用于单模太赫兹激光器对多瓦发射进行说明，其中更多的光子从激光阵列辐射到比在阵列内吸收的那些作为光学损失的光子。

Lehigh的光子学和纳米电子学中心的研究人员使用新的锁相技术来实现Terahertz激光器的记录高输出功率，为任何单波长半导体量子级联激光报告最高的辐射效率。

太赫兹激光很快就会有他们的时刻。沿着电磁谱之间的微波和红外光线之间的发射辐射，由于它们穿透了普通包装材料，如塑料，织物和纸板，并且用于识别和检测各种抗包装材料，因此沿着电磁谱之间的微波和红外光的辐射焦点。化学品和生物分子物种，甚至用于某种类型的生物组织的成像而不会引起损伤。通过提高功率输出和光束质量实现，满足太赫兹激光器的使用铰链潜力，实现了改善其强度和亮度。

Lehigh大学电气和计算机工程系的副教授Sushil Kumar以及他的研究团队正在努力在太赫兹半导体'量子级联的激光（QCL）技术的最前沿。2018年，Kumar还隶属于Lehigh的光子学和纳米电子学（CPN），报道了一种简单但有效的技术，基于新型的“分布式 - 反馈”机制来增强单模激光器的功率输出。结果发表在“自然通信”期刊上发表，并在太赫兹QCL技术的一个主要进展中得到了很多关注。该工作由研究生，包括袁金，由康马尔监督，与桑迪亚国家实验室合作。

现在，Kumar，Jin和John L. Reno的桑迪亚雷诺报道了另一种Terahertz技术突破：他们已经开发出一种新的等离子体激光器的锁相技术，并且通过其使用，实现了针对太赫兹激光器的记录高功率输出。它们的激光产生了任何单波长半导体量子级联激光器的最高辐射效率。这些结果在纸张中解释了“锁相太赫兹等级激光器阵列，在6月12日在Optica发布的”单频谱模式“。

“据我们所知，我们的太赫兹激光器的辐射效率是对任何单波长QCL迄今为止的最高展示，并且是在此类QCLS中实现的辐射效率大于50％的第一个报告，”Kumar说。“如此高的辐射效率击败了我们的期望，也是我们激光的输出功率明显大于先前所实现的原因之一。”

为了增强半导体激光器的光功率输出和光束质量，科学家通常利用锁相，电磁控制系统，该电磁控制系统迫使光学腔阵列发射锁定步骤中的辐射。利用带有金属涂层（包层）的光学腔的Terahertz QCLS用于光限制，是一类称为等离子体激光器的激光器，对于它们较差的辐射性能臭名昭着。他们说，只有有限数量的技术可用，可以用于通过显着的边缘来改善这种等离子体激光器的辐射效率和输出功率。

“我们的论文介绍了一种新的锁相方案，用于等离子体激光器的锁相方案与在半导体激光器上广大文献中的锁相激光器的先前研究明显不同，”Jin说。“证明方法利用电磁辐射的行进表面波作为等离子体光学腔的锁相工具。通过实现与现有工作相比，通过实现已经增加了数量级的历史高输出功率的记录高输出功效来证明了该方法的功效。“

沿着空腔的金属层传播的行驶表面波，但在腔体的周围介质中而不是内部的外部，是近年来Kumar集团中开发的独特方法，并且继续进一步开放新途径创新。该团队预计其激光器的输出功率水平可能导致激光研究人员和应用科学家之间的合作，基于这些激光器的太赫兹光谱和传感平台的开发。

这项QCL技术的这种创新是Kumar在Lem在Lehigh的长期研究努力的结果。Kumar和Jin通过在大约两年的时间内通过设计和实验共同开发了最终实施的想法。与桑迪亚国家实验室博士博士的合作允许Kumar及其团队接收半导体材料以形成这些激光器的量子级联光学介质。

根据研究人员，这项工作的主要创新在于光学腔的设计，这有些独立于半导体材料的性质。他们说，在Lehigh CPN的新获得的电感耦合等离子体（ICP）蚀刻工具在推动这些激光器的性能边界时发挥着关键作用。

Kumar表示，该研究在如何开发出具有窄梁的单波长太赫兹激光器的范式转变，并将在将来开发，并将在未来发展，并将：“我认为太赫兹激光器的未来看起来非常亮。”

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参考：

“锁定太赫兹等级激光阵列，具有2W输出功率，单一谱模式”由Yuan Jin，John L. Reno和Sushil Kumar，6月12日，Optica.doi：
10.1364 / OPTICA.390852

“高功率表面发射太赫兹激光与杂交二阶和四阶布拉格光栅”由袁金，梁高，j辰，崇兆武，约翰·鲁诺和寿司库马尔，2018年4月11日，自然传播.DOI：
10.1038 / s41467-018-03697-9.

在Lehigh大学的光子学和纳米电子中心的纳米制造设施中制造了半导体激光器。这项工作是部分地，部分在集成纳米技术中心，为美国能源部（DOE）科学部门运营的科学用户设施办公室。这项工作部分得到了国家科学基金会的补助金（ECCS 1351142和ECCS 1609168）的支持。